Koliko vode sadrži ćelija? Način rada za vodu. Zadaci za grupe učenika

Voda je najčešće jedinjenje na Zemlji iu živim organizmima. Sadržaj vode u stanicama ovisi o prirodi metaboličkih procesa: što su intenzivniji, to je veći sadržaj vode.

U prosjeku, ćelije odrasle osobe sadrže 60-70% vode. Gubitkom od 20% vode organizmi umiru. Čovjek bez vode može živjeti najviše 7 dana, a bez hrane ne više od 40 dana.

Rice. 4.1. Prostorna struktura molekule vode (H 2 O) i formiranje vodonične veze

Molekul vode (H 2 O) sastoji se od dva atoma vodika, koji su kovalentno vezani za atome kiseonika. Molekula je polarna jer je savijena pod kutom i jezgro atoma kisika vuče zajedničke elektrone prema tom kutu, tako da kisik dobiva djelomično negativan naboj, a atomi vodika koji se nalaze na otvorenim krajevima imaju djelomično pozitivan naboj. . Molekuli vode su u stanju da privlače jedni druge pozitivnim i negativnim nabojima, formirajući vodoničnu vezu (Sl. 4.1.).

Hvala za jedinstvena struktura molekule vode i njihovu sposobnost da se međusobno vežu pomoću vodikovih veza, voda ima niz svojstava koja određuju njenu važnu ulogu u ćeliji i telu.

Vodikove veze uzrokuju relativno visoke temperature ključanje i isparavanje, visoki toplinski kapacitet i toplinska provodljivost vode, svojstvo univerzalnog rastvarača.

Vodikove veze su 15-20 puta slabije od kovalentnih. U tečnom stanju nastaju i raskidaju vodonične veze, što određuje kretanje molekula vode i njenu fluidnost.

Biološka uloga H 2 O

Voda određuje fizička svojstvaćelije - njen volumen, elastičnost (turgor). Ćelija sadrži 95-96% slobodne vode i 4-5% vezane vode. Vezana voda formira vodene (solvatne) ljuske oko određenih spojeva (na primjer, proteina), sprečavajući ih da međusobno djeluju.

Besplatna voda je dobar rastvarač za mnoge anorganske i organske polarne supstance. Supstance koje su dobro rastvorljive u vodi nazivaju se hidrofilna. Na primjer, alkoholi, kiseline, plinovi, većina soli natrijuma, kalija, itd. Za hidrofilne tvari, energija veze između njihovih atoma je manja od energije privlačenja ovih atoma za molekule vode. Stoga se njihovi molekuli ili ioni lako integriraju u opći sistem vodoničnih veza vode.

Voda kao univerzalni rastvarač igra izuzetno važnu ulogu, jer većina hemijske reakcije javlja se u vodenim rastvorima. Prodiranje tvari u ćeliju i uklanjanje otpadnih tvari iz nje u većini slučajeva moguće je samo u otopljenom obliku.

Voda ne otapa nepolarne (bez naboja) tvari jer s njima ne može formirati vodikove veze. Supstance koje su nerastvorljive u vodi nazivaju se hidrofobna . To uključuje masti, supstance slične mastima, polisaharide i gumu.

Neki organski molekuli imaju dvostruka svojstva: u nekim područjima imaju polarne grupe, au drugim - nepolarne. Takve supstance se nazivaju amfipatski ili amfifilni. To uključuje proteine, masne kiseline, fosfolipide, nukleinske kiseline. Amfifilna jedinjenja igraju važnu ulogu u organizaciji bioloških membrana i složenih supramolekularnih struktura.

Voda je direktno uključena u reakcije hidroliza– razlaganje organskih jedinjenja. Štoviše, pod djelovanjem posebnih enzima do slobodnih valencija organskih molekula OH joni se pridružuju - i N + vode. Kao rezultat, nastaju nove tvari s novim svojstvima.

Voda ima visok toplotni kapacitet (tj. sposobnost da apsorbuje toplotu uz manje promene sopstvene temperature) i dobru toplotnu provodljivost. Zahvaljujući ovim svojstvima, temperatura unutar ćelije (i tijela) se održava na određenom nivou uprkos značajnim promjenama temperature okoline.

Važno biološki značaj Za funkcioniranje biljaka i hladnokrvnih životinja, voda može mijenjati svoja svojstva, posebno tačke smrzavanja i ključanja, pod utjecajem otopljenih tvari (ugljikohidrati, glicerol).

Svojstva vode su toliko važna za žive organizme da je nemoguće zamisliti postojanje života, kakvog poznajemo, ne samo na Zemlji, već i na bilo kojoj drugoj planeti bez dovoljnog zaliha vode.

MINERALNA SOL

Mogu biti u otopljenom ili neotopljenom stanju. Molekuli mineralnih soli u vodeni rastvor raspadaju na katjone i anjone.

Voda se nalazi u živim ćelijama, mrtvim elementima ksilema i međućelijskim prostorima. U međućelijskim prostorima voda je u stanju pare. Glavni organi za isparavanje biljke su listovi. S tim u vezi, prirodno je da najveća količina vode ispunjava međućelijske prostore listova. U tečnom stanju voda se nalazi u različitim dijelovima ćelije: ćelijskoj membrani, vakuoli, citoplazmi. Vakuole su najbogatiji dio ćelije, gdje njen sadržaj dostiže 98%. Pri najvećem sadržaju vode, sadržaj vode u citoplazmi je 95%. Najmanji sadržaj vode karakterističan je za ćelijske membrane. Kvantitativno određivanje sadržaja vode u ćelijskim membranama je teško; čini se da se kreće od 30 do 50%.

Oblici vode u različitim dijelovima biljna ćelija takođe su različiti. U vakuolarnom ćelijskom soku dominira voda zadržana spojevima relativno male molekularne težine (osmotski vezana) i slobodna voda. U ljusci biljne ćelije voda je vezana uglavnom visokopolimernim spojevima (celuloza, hemiceluloza, pektinske supstance), odnosno koloidno vezana voda. U samoj citoplazmi nalazi se slobodna voda, koloidno i osmotski vezana. Voda koja se nalazi na udaljenosti do 1 nm od površine proteinske molekule je čvrsto vezana i nema pravilnu heksagonalnu strukturu (koloidno vezana voda). Osim toga, u citoplazmi postoji određena količina jona, pa je dio vode osmotski vezan.

Fiziološki značaj slobodne i vezane vode je različit. Prema većini istraživača, intenzitet fizioloških procesa, uključujući stope rasta, prvenstveno ovisi o sadržaju slobodne vode. Postoji direktna korelacija između sadržaja vezane vode i otpornosti biljaka na nepovoljne vanjske uslove. Ove fiziološke korelacije se ne primjećuju uvijek.

Za normalno postojanje, ćelije i biljni organizam u cjelini moraju sadržavati određenu količinu vode. Međutim, to je lako izvodljivo samo za biljke koje rastu u vodi. Za kopnene biljke, ovaj zadatak je kompliciran činjenicom da se voda u biljnom tijelu kontinuirano gubi isparavanjem. Isparavanje vode od strane biljke dostiže ogromne razmjere. Možemo navesti sljedeći primjer: jedna biljka kukuruza ispari do 180 kg vode tokom vegetacije, a 1 hektar šume u Južna Amerika ispari u prosjeku 75 hiljada kg vode dnevno. Ogromna potrošnja vode posljedica je činjenice da većina biljaka ima značajnu površinu lista smještenu u atmosferi koja nije zasićena vodenom parom. Istovremeno, razvoj ekstenzivne lisne površine je neophodan i razvijen u procesu duge evolucije kako bi se osigurala normalna ishrana ugljičnim dioksidom sadržanim u zraku u neznatnoj koncentraciji (0,03%). U svojoj čuvenoj knjizi „Borba biljaka protiv suše“ K.A. Timiryazev je istakao da je kontradikcija između potrebe za hvatanjem ugljičnog dioksida i smanjenja potrošnje vode ostavila traga na strukturi cjelokupnog biljnog organizma.

Da bi se nadoknadio gubitak vode usled isparavanja, velika količina vode mora se kontinuirano dopremati u postrojenje. Dva procesa koja se kontinuirano odvijaju u biljci - ulazak i isparavanje vode - nazivaju se vodni bilans biljaka. Za normalan rast i razvoj biljaka potrebno je da potrošnja vode približno odgovara dotoku, odnosno da biljka bez velikog deficita smanjuje ravnotežu vode. Da bi to postigla, biljka je procesom prirodne selekcije razvila adaptacije da apsorbuje vodu (kolosalno razvijen korenov sistem), da pomera vodu (poseban provodni sistem) i da smanji isparavanje (sistem pokrovnih tkiva i sistem automatski zatvaranje stomatalnih otvora).

I pored svih ovih prilagodbi, biljka često doživljava deficit vode, odnosno snabdevanje vodom nije uravnoteženo njenom potrošnjom tokom procesa transpiracije.

Fiziološki poremećaji se javljaju u različitim biljkama sa različitim stepenom nedostatka vode. Postoje biljke koje su u procesu evolucije razvile različite adaptacije da podnose dehidraciju (biljke otporne na sušu). Razjašnjenje fizioloških karakteristika koje određuju otpornost biljaka na nedostatak vode najvažniji je zadatak, čije je rješenje od velike ne samo teorijske, već i poljoprivredno-praktične važnosti. Istovremeno, da bi se to riješilo, potrebno je poznavati sve aspekte izmjene vode u biljnom organizmu.

1. Kakvu strukturu ima voda?

Odgovori. Molekula vode ima ugaonu strukturu: jezgra koja su uključena u njen sastav formiraju se jednakokraki trougao, koji ima dva vodonika u bazi i atom kiseonika na vrhu. Internuclear O-H udaljenosti blizu 0,1 nm, udaljenost između jezgara atoma vodika je 0,15 nm. Od šest elektrona koji čine vanjski elektronski sloj atoma kisika u molekuli vode, dva elektronska para formiraju kovalentna O-N konekcije, a preostala četiri elektrona predstavljaju dva usamljena para elektrona.

Molekul vode je mali dipol koji na svojim polovima sadrži pozitivne i negativne naboje. Postoji nedostatak elektronske gustine u blizini jezgara vodonika, i dalje suprotnoj strani molekula, u blizini jezgra kiseonika, postoji višak elektronske gustine. Upravo ta struktura određuje polaritet molekule vode.

2. Koju količinu vode (u%) sadrže različite ćelije?

Količina vode varira u različitim tkivima i organima. Dakle, kod ljudi njegov sadržaj u sivoj tvari mozga iznosi 85%, au koštanom tkivu - 22%. Najveći sadržaj vode u organizmu uočen je u embrionalni period(95%) i postepeno se smanjuje s godinama.

Sadržaj vode u različitim biljnim organima varira u prilično širokim granicama. Ona varira u zavisnosti od uslova okoline, starosti i vrste biljaka. Dakle, sadržaj vode u listovima zelene salate je 93-95%, kukuruzu - 75-77%. Količina vode varira u različitim biljnim organima: listovi suncokreta sadrže 80-83% vode, stabljike - 87-89%, korijenje - 73-75%. Sadržaj vode od 6-11% tipičan je uglavnom za seme sušeno na vazduhu, u kome su inhibirani vitalni procesi. Voda se nalazi u živim ćelijama, mrtvim elementima ksilema i međućelijskim prostorima. U međućelijskim prostorima voda je u stanju pare. Glavni organi za isparavanje biljke su listovi. S tim u vezi, prirodno je da najveća količina vode ispunjava međućelijske prostore listova. U tečnom stanju voda se nalazi u različitim dijelovima ćelije: ćelijskoj membrani, vakuoli, citoplazmi. Vakuole su najbogatiji dio ćelije, gdje njen sadržaj dostiže 98%. Pri najvećem sadržaju vode, sadržaj vode u citoplazmi je 95%. Najmanji sadržaj vode karakterističan je za ćelijske membrane. Kvantitativno određivanje sadržaja vode u ćelijskim membranama je teško; čini se da se kreće od 30 do 50%. Različiti su i oblici vode u različitim dijelovima biljne ćelije.

3. Koja je uloga vode u živim organizmima?

Odgovori. Voda je dominantna komponenta svih živih organizama. Ima jedinstvena svojstva zbog svojih strukturnih karakteristika: molekule vode imaju oblik dipola i između njih se formiraju vodikove veze. Prosječan sadržaj vode u ćelijama većine živih organizama je oko 70%. Voda u ćeliji je prisutna u dva oblika: slobodna (95% sve ćelijske vode) i vezana (4-5% vezana za proteine).

Funkcije vode:

1. Voda kao rastvarač. Mnoge hemijske reakcije u ćeliji su jonske i stoga se dešavaju samo u ćeliji vodena sredina. Supstance koje se otapaju u vodi nazivaju se hidrofilne (alkoholi, šećeri, aldehidi, aminokiseline), one koje se ne otapaju nazivaju se hidrofobne (masne kiseline, celuloza).

2.Voda kao reagens. Voda je uključena u mnoge hemijske reakcije: reakcije polimerizacije, hidrolize i u procesu fotosinteze.

3.Transport funkcija. Kretanje po cijelom tijelu zajedno sa vodom otopljenih u njemu tvari do njegovih različitih dijelova i uklanjanje nepotrebnih produkata iz tijela.

4.Voda kao termostabilizator i termostat. Ova funkcija je posljedica takvih svojstava vode kao što je visok toplinski kapacitet - omekšava učinak na tijelo značajnih promjena temperature u okruženje; visoka toplotna provodljivost - omogućava tijelu da održi istu temperaturu u cijelom svom volumenu; visoka toplota isparavanja - koristi se za hlađenje tijela tokom znojenja kod sisara i transpiracije kod biljaka.

5. Strukturna funkcija. Citoplazma stanica sadrži od 60 do 95% vode, koja stanicama daje normalan oblik. U biljkama voda održava turgor (elastičnost endoplazmatske membrane), kod nekih životinja služi kao hidrostatski skelet (meduze)

Pitanja nakon § 7

1. Koja je posebnost strukture molekula vode?

Odgovori. Jedinstvena svojstva voda je određena strukturom njene molekule. Molekul vode se sastoji od O atoma vezanog za dva polarna H atoma kovalentne veze. Karakterističan raspored elektrona u molekuli vode daje joj električnu asimetriju. Elektronegativniji atom kisika jače privlači elektrone atoma vodika, uslijed čega se zajednički parovi elektrona u molekuli vode pomjeraju prema njemu. Stoga, iako je molekula vode kao cjelina nenabijena, svaki od dva atoma vodika nosi djelomično pozitivan naboj (označen 8+), a atom kisika nosi djelomično negativan naboj (8-). Molekul vode je polariziran i dipol je (ima dva pola).

Djelomično negativan naboj atoma kisika jedne molekule vode je djelomično privučen pozitivnih atoma vodonik drugih molekula. Dakle, svaki molekul vode teži da se veže vodonikom sa četiri susjedna molekula vode.

2. Kakav je značaj vode kao rastvarača?

Odgovori. Zbog polariteta molekula i sposobnosti stvaranja vodoničnih veza, voda lako otapa jonska jedinjenja (soli, kiseline, baze). Neka nejonska, ali polarna jedinjenja su takođe rastvorljiva u vodi, tj. čija molekula sadrži naelektrisane (polarne) grupe, na primer šećere, jednostavne alkohole, aminokiseline. Supstance koje su visoko rastvorljive u vodi nazivaju se hidrofilnim (od grčkog hygros - mokar i philia - prijateljstvo, sklonost). Kada supstanca pređe u rastvor, njeni molekuli ili ioni mogu se slobodnije kretati i samim tim se povećava reaktivnost supstance. To objašnjava zašto je voda glavni medij u kojem se odvija većina kemijskih reakcija, a sve reakcije hidrolize i brojne redoks reakcije odvijaju se uz direktno sudjelovanje vode.

Tvari koje su slabo ili potpuno netopive u vodi nazivaju se hidrofobne (od grčkog phobos - strah). To uključuje masti, nukleinske kiseline, neke proteine i polisaharide. Takve tvari mogu formirati međusklopove s vodom na kojima se odvijaju mnoge kemijske reakcije. Stoga je i činjenica da voda ne otapa nepolarne tvari vrlo važna za žive organizme. Među fiziološki važnim svojstvima vode je njena sposobnost rastvaranja gasova (O2, CO2, itd.).

3. Šta je toplotna provodljivost i toplotni kapacitet vode?

Odgovori. Voda ima visok toplotni kapacitet, odnosno sposobnost da apsorbuje toplotnu energiju uz minimalno povećanje sopstvene temperature. Veliki toplotni kapacitet vode štiti tjelesna tkiva od brzog i snažnog porasta temperature. Mnogi organizmi se hlade isparavanjem vode (transpiracija kod biljaka, znojenje kod životinja).

4. Zašto se veruje da je voda idealna tečnost za ćeliju?

Odgovori. Visok sadržaj vode u ćeliji je najvažniji uslov za njenu aktivnost. Gubitkom većine vode mnogi organizmi umiru, a veliki broj jednoćelijskih i čak višećelijskih organizama privremeno gubi sve znakove života. Ovo stanje se naziva suspendovana animacija. Nakon hidratacije, stanice se bude i ponovo aktiviraju.

Molekul vode je električno neutralan. Ali električni naboj unutar molekule je neravnomjerno raspoređen: u području atoma vodika (tačnije, protona) on prevladava pozitivan naboj, u području gdje se nalazi kisik, gustina negativnog naboja je veća. Dakle, čestica vode je dipol. Svojstvo dipola molekule vode objašnjava njenu sposobnost da se orijentiše u električnom polju i veže se za različite molekule i delove molekula koji nose naboj. Kao rezultat, nastaju hidrati. Sposobnost vode da formira hidrate je zbog njenih univerzalnih svojstava rastvarača. Ako je energija privlačenja molekula vode za molekule tvari veća od energije privlačenja između molekula vode, tada se tvar otapa. Ovisno o tome, razlikuje se hidrofilne (grč. hydros - voda i phileo - ljubav) tvari koje su vrlo topljive u vodi (npr. soli, lužine, kiseline itd.) i hidrofobne (grč. hydros - voda i phobos - strah) materije, teško ili nikako rastvorljive u vodi (masti, masti slične materije, guma, itd.). Sastav ćelijskih membrana uključuje tvari slične mastima koje ograničavaju prijelaz iz vanjsko okruženje u ćelije i nazad, kao i iz jednog dela ćelije u drugi.

Većina reakcija koje se javljaju u ćeliji mogu se dogoditi samo u vodenoj otopini. Voda je direktan učesnik u mnogim reakcijama. Na primjer, razgradnja proteina, ugljikohidrata i drugih supstanci nastaje kao rezultat njihove interakcije s vodom koju kataliziraju enzimi. Takve reakcije se nazivaju reakcije hidrolize (grčki hydros - voda i lysis - cijepanje).

Voda ima veliki toplotni kapacitet i istovremeno relativno visoku toplotnu provodljivost za tečnosti. Ova svojstva čine vodu idealnom tekućinom za održavanje toplinske ravnoteže ćelija i organizama.

Voda je glavni medij za biohemijske reakcije ćelije. To je izvor kiseonika koji se oslobađa tokom fotosinteze i vodonika, koji se koristi za obnavljanje proizvoda asimilacije ugljični dioksid. I na kraju, voda je glavno sredstvo transporta tvari u tijelu (tok krvi i limfe, uzlazne i silazne struje otopina kroz sudove biljaka) iu ćeliji.

5. Koja je uloga vode u ćeliji

Osiguravanje elastičnosti ćelija. Posljedice gubitka vode iz stanica su venuće listova, sušenje plodova;

Ubrzanje kemijskih reakcija otapanjem tvari u vodi;

Osiguranje kretanja tvari: ulazak većine supstanci u ćeliju i njihovo uklanjanje iz ćelije u obliku otopina;

Osiguravanje raspada mnogih hemikalije(broj soli, šećera);

Učešće u brojnim hemijskim reakcijama;

Učešće u procesu termoregulacije zbog sposobnosti laganog zagrijavanja i laganog hlađenja.

6. Koja strukturna i fizičko-hemijska svojstva vode to određuju biološka uloga u kavezu?

Odgovori. Strukturna fizičko-hemijska svojstva vode određuju njene biološke funkcije.

Voda je dobar rastvarač. Zbog polariteta molekula i sposobnosti stvaranja vodoničnih veza, voda lako otapa jonska jedinjenja (soli, kiseline, baze).

Voda ima visok toplotni kapacitet, odnosno sposobnost da apsorbuje toplotnu energiju uz minimalno povećanje sopstvene temperature. Veliki toplotni kapacitet vode štiti tjelesna tkiva od brzog i snažnog porasta temperature. Mnogi organizmi se hlade isparavanjem vode (transpiracija kod biljaka, znojenje kod životinja).

Voda takođe ima visoku toplotnu provodljivost, obezbeđujući ravnomernu distribuciju toplote po celom telu. Posljedično, visoki specifični toplinski kapacitet i visoka toplinska provodljivost čine vodu idealnom tekućinom za održavanje toplinske ravnoteže ćelija i organizama.

Voda se praktički ne komprimira, stvarajući turgorski pritisak, određujući volumen i elastičnost stanica i tkiva. Dakle, hidrostatski skelet održava oblik okruglih crva, meduza i drugih organizama.

Voda se odlikuje optimalnim biološki sistemi vrijednost sile površinski napon, koji nastaje zbog stvaranja vodikovih veza između molekula vode i molekula drugih tvari. Zbog sile površinske napetosti dolazi do kapilarnog protoka krvi, uzlaznih i silaznih strujanja otopina u biljkama.

U određenim biohemijskim procesima voda djeluje kao supstrat.